Il rapporto di concentrazione e le caratteristiche della radiazione solare

Il principio di concentrazione nei pannelli solari consente di produrre la stessa quantità di energia utilizzando una superficie inferiore di celle fotovoltaiche.
In pratica una superficie (chiamiamola per comodità A) colpita dalla radiazione solare può convogliare le radiazioni verso una superficie più piccola (denominata a) tramite un dispositivo (L) costituito solitamente da una lente o da uno specchio. L\'energia elettrica ricavabile dalla cella fotovoltaica (a) è equivalente a quella della superficie più grande (A) perché le radiazioni vi giungono concentrate.

Il rapporto di concentrazione A/a viene indicato in numero di \'soli\' (indicati con X). Generalmente, quando il rapporto di concentrazione supera i 300X si parla di alta concentrazione. Questo principio permette di ridurre la quantità delle celle solari e pertanto il costo del pannello solare. Per comprendere il motivo per cui si stanno studiando con particolare attenzione i sistemi a concentrazione dobbiamo partire dal concetto di radiazione solare.
I sistemi fotovoltaici, in generale, consentono la trasformazione diretta della luce solare in energia elettrica senza necessità di meccanismi in movimento sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori, quali il silicio, che sono in grado di generare elettricità quando sono colpiti da radiazione solare, che può essere diretta, diffusa o riflessa.
Inoltre assume molta importanza l’angolo di inclinazione della radiazione stessa rispetto alla superficie terrestre, poiché all’aumentare dell’inclinazione della superficie di captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta quella riflessa.

Oltre alle caratteristiche della radiazione solare il rendimento delle celle fotovoltaiche è fortemente influenzato dall’estensione dello spettro solare. Infatti l’effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore, quale il silicio) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.
Il silicio è sensibile al colore blu, al verde e al giallo e poco al rosso, mentre è completamente insensibile all’infrarosso, il che significa che circa la metà dell’energia associata allo spettro di radiazione solare non viene convertita in energia elettrica.

Proprio per questo motivo la ricerca nel settore fotovoltaico si sta spingendo verso soluzioni atte a massimizzare la raccolta della radiazione solare incidente, sviluppando celle fotovoltaiche sensibili alla componente diffusa e alle diverse componenti dello spettro solare, studiando sistemi di concentrazione (che permettono soprattutto di sfruttare la componente riflessa) e ottimizzando i sistemi a inseguimento solare, in grado di orientare i pannelli in maniera da massimizzare la superficie di captazione della radiazione solare.

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